Linux-串口

串口是很常用的一个外设，在 Linux 下通常通过串口和其他设备或传感器进行通信，根据电平的不同，串口分为 TTL 和 RS232。不管是什么样的接口电平，其驱动程序都是一样的，通过外接 RS485 这样的芯片就可以将串口转换为 RS485 信号，正点原子的 I.MX6U-ALPHA 开发板就是这么做的。对于正点原子的 I.MX6U-ALPHA 开发板而言， RS232、 RS485 以及 GPS 模块接口通通连接到了 I.MX6U 的 UART3 接口上，因此这些外设最终都归结为 UART3 的串口驱动。

1Linux下UART驱动框架

1.1 UART驱动框架简介

同 I2C、 SPI 一样， Linux 也提供了串口驱动框架，我们只需要按照相应的串口框架编写驱动程序即可。串口驱动没有什么主机端和设备端之分，就只有一个串口驱动，而且这个驱动也已经由 NXP 官方已经编写好了，我们真正要做的就是在设备树中添加所要使用的串口节点信息。当系统启动以后串口驱动和设备匹配成功，相应的串口就会被驱动起来，生成/dev/ttymxcX(X=0….n)文件。

uart_driver 结构体表示 UART 驱动， uart_driver 定义在 include/linux/serial_core.h 文件中

struct uart_driver {
	struct module		*owner;		/* 模块所属者 */
	const char		*driver_name;	/* 驱动名字 */
	const char		*dev_name;		/* 设备名字 */
	int			 major; 			/* 主设备号 */
	int			 minor;				/* 次设备号 */
	int			 nr;				/* 设备数 */
	struct console		*cons;		/* 控制台 */

	/*
	 * these are private; the low level driver should not
	 * touch these; they should be initialised to NULL
	 */
	struct uart_state	*state;
	struct tty_driver	*tty_driver;
};

1.2 `uart_driver` 注册与注销

每个串口驱动都需要定义一个 uart_driver，加载驱动的时候通过 uart_register_driver 函数向系统注册这个 uart_driver，此函数原型如下：
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int uart_register_driver(struct uart_driver *drv)
drv：要注册的 uart_driver。

返回值： 0，成功；负值，失败。

注销驱动的时候也需要注销掉前面注册的 uart_driver，需要用到 uart_unregister_driver 函数，函数原型如下：
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void uart_unregister_driver(struct uart_driver *drv)
drv：要注销的 uart_driver。

返回值：无。

1.3 `uart_port` 的添加与移除

uart_port 表示一个具体的串口端口， uart_port 定义在 include/linux/serial_core.h 文件，内容如下

struct uart_port {
	spinlock_t		lock;			/* port lock */
	unsigned long		iobase;			/* in/out[bwl] */
	unsigned char __iomem	*membase;		/* read/write[bwl] */
	............
	const struct uart_ops	*ops;
	unsigned int		custom_divisor;
	unsigned int		line;			/* port index */
	unsigned int		minor;
	resource_size_t		mapbase;		/* for ioremap */
	resource_size_t		mapsize;
	struct device		*dev;			/* parent device */
	............
};

ops 包含了串口的具体驱动函数。

**每个 UART 都有一个 uart_port**，那么 uart_port 是怎么和 uart_driver 结合起来的呢？这里要用到 uart_add_one_port 函数，函数原型如下：
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int uart_add_one_port(struct uart_driver *drv,
						struct uart_port *uport)
drv：此 port 对应的 uart_driver。

uport：要添加到 uart_driver 中的 port。

返回值： 0，成功；负值，失败。

卸载 UART 驱动的时候也需要将 uart_port 从相应的 uart_driver 中移除，需要用到uart_remove_one_port 函数，函数原型如下：
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int uart_remove_one_port(struct uart_driver *drv, struct uart_port *uport)
drv：要卸载的 port 所对应的 uart_driver。

uport：要卸载的 uart_port。

返回值：0，成功；负值，失败。

1.4 uart_ops 实现

ops 包含了针对 UART 具体的驱动函数， Linux 系统收发数据最终调用的都是 ops 中的函数。 ops 是 uart_ops类型的结构体指针变量， uart_ops 定义在 include/linux/serial_core.h 文件中

struct uart_ops {
	unsigned int	(*tx_empty)(struct uart_port *);
	void		(*set_mctrl)(struct uart_port *, unsigned int mctrl);
	unsigned int	(*get_mctrl)(struct uart_port *);
	void		(*stop_tx)(struct uart_port *);
	void		(*start_tx)(struct uart_port *);
	void		(*throttle)(struct uart_port *);
	void		(*unthrottle)(struct uart_port *);
	void		(*send_xchar)(struct uart_port *, char ch);
	void		(*stop_rx)(struct uart_port *);
	void		(*enable_ms)(struct uart_port *);
	void		(*break_ctl)(struct uart_port *, int ctl);
	int		(*startup)(struct uart_port *);
	void		(*shutdown)(struct uart_port *);
	void		(*flush_buffer)(struct uart_port *);
	void		(*set_termios)(struct uart_port *, struct ktermios *new,
				       struct ktermios *old);
	void		(*set_ldisc)(struct uart_port *, struct ktermios *);
	void		(*pm)(struct uart_port *, unsigned int state,
			      unsigned int oldstate);

	/*
	 * Return a string describing the type of the port
	 */
	const char	*(*type)(struct uart_port *);

	/*
	 * Release IO and memory resources used by the port.
	 * This includes iounmap if necessary.
	 */
	void		(*release_port)(struct uart_port *);

	/*
	 * Request IO and memory resources used by the port.
	 * This includes iomapping the port if necessary.
	 */
	int		(*request_port)(struct uart_port *);
	void		(*config_port)(struct uart_port *, int);
	int		(*verify_port)(struct uart_port *, struct serial_struct *);
	int		(*ioctl)(struct uart_port *, unsigned int, unsigned long);
#ifdef CONFIG_CONSOLE_POLL
	int		(*poll_init)(struct uart_port *);
	void		(*poll_put_char)(struct uart_port *, unsigned char);
	int		(*poll_get_char)(struct uart_port *);
#endif
};

UART 驱动编写人员需要实现 uart_ops，因为 uart_ops 是最底层的 UART 驱动接口，是实实在在的和 UART 寄存器打交道的。

关于 uart_ops 结构体中的这些函数的具体含义请参考Documentation/serial/driver 这个文档

2 NXP官方驱动分析

打开 imx6ull.dtsi 文件，找到 UART3 对应的子节点，子节点内容如下所示：
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uart3: serial@021ec000 {
    compatible = "fsl,imx6ul-uart",
             "fsl,imx6q-uart", "fsl,imx21-uart";
    reg = <0x021ec000 0x4000>;
    interrupts = <GIC_SPI 28 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>;
    clocks = <&clks IMX6UL_CLK_UART3_IPG>,
         <&clks IMX6UL_CLK_UART3_SERIAL>;
    clock-names = "ipg", "per";
    dmas = <&sdma 29 4 0>, <&sdma 30 4 0>;
    dma-names = "rx", "tx";
    status = "disabled";
};
查找compatible属性，找到imx.c里面：
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static const struct of_device_id imx_uart_dt_ids[] = {
	{ .compatible = "fsl,imx6q-uart", .data = &imx_uart_devdata[IMX6Q_UART], },
	{ .compatible = "fsl,imx1-uart", .data = &imx_uart_devdata[IMX1_UART], },
	{ .compatible = "fsl,imx21-uart", .data = &imx_uart_devdata[IMX21_UART], },
	{ /* sentinel */ }
};
NXP官方串口驱动入口函数为：imx_serial_init，此函数调用uart_register_driver先内核注册uart_driver，为imx_reg,因为#define DEV_NAME "ttymxc"，所以IMX串口为/dev/ttymxc0,1。

接下来就是uart_port处理，NXP自定义了一个imx_port，里面包含uart_port。

uart_ops为sport->port.ops = &imx_pops;

串口接收中断处理函数：imx_rxint获取到串口接收到的数据，然后使用tty_insert_flip_char将其放到tty里面。

3 设备树修改

添加节点：

&uart3 {
	pinctrl-names = "default";
	pinctrl-0 = <&pinctrl_uart3>;
	status = "okay";
};

pinctrl_uart3: uart3grp {
    fsl,pins = <
        MX6UL_PAD_UART3_TX_DATA__UART3_DCE_TX	0x1b0b1
        MX6UL_PAD_UART3_RX_DATA__UART3_DCE_RX	0x1b0b1
    >;
};

4 移植minicom

minicom 类似我们常用的串口调试助手，是 Linux 下很常用的一个串口工具，将 minicom移植到我们的开发板中，这样我们就可以借助 minicom 对串口进行读写操作。

4.1移植 ncurses

minicom 需要用到 ncurses，因此需要先移植 ncurses，如果前面已经移植好了 ncurses，那么这里就不需要再次移植了，只需要在编译 minicom 的时候指定 ncurses 库和头文件目录即可。
首先在ubuntu中创建一个目录来存放我们要移植的文件。

下载 ncurses 源码。
ncurses-6.0.tar.gz 拷贝到 Ubuntu 中创建的 tool 目录下，然后进行解压，解压命令如下：
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tar -vxzf ncurses-6.0.tar.gz
解压完成以后就会生成一个名为“ncurses-6.0”的文件夹，此文件夹就是 ncurese 的源码文件夹。在 tool 目录下新建名为“ncurses”目录，用于保存 ncurses 编译结果，一切准备就绪以后就可以编译 ncureses 库了。进入到 ncureses 源码目录下，也就是刚刚解压出来的 ncurses-6.0 目录中，首先是配置 ncureses，输入如下命令：
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./configure --prefix=/home/zwl/linux/tool/ncurses --host=arm-linux-gnueabihf --target=arm-linux-gnueabihf --with-shared --without-profile --disable-stripping --without-progs --with-manpages --without-tests
configure 就是配置脚本。

–prefix 用于指定编译结果的保存目录，这里肯定将编译结果保存到我们前面创建的“ ncurses”目录中。

–host 用于指定编译器前缀，这里设置为 “arm-linuxgnueabihf”。

–target 用于指定目标，这里也设置为“arm-linux-gnueabihf”。
配置成功以后输入“make”命令开始编译。

编译成功以后输入“make install”命令安装，安装的意思就是将编译出来的结果拷贝到–pfefix 指定的目录里面去。

安装成功以后查看一下前面创建的“ncurses”文件夹，会发现里面多了一些东西。
include、 lib 和 share 这三个目录中存放的文件分别拷贝到开发板根文件系统中的/usr/include、 /usr/lib 和/usr/share 这三个目录中，如果哪个目录不存在的话请自行创建！！拷贝命令如下：
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sudo cp lib/* /home/zuozhongkai/linux/nfs/rootfs/usr/lib/ -rfa
sudo cp share/* /home/zuozhongkai/linux/nfs/rootfs/usr/share/ -rfa
sudo cp include/* /home/zuozhongkai/linux/nfs/rootfs/usr/include/ -rfa
然后在开发板根目录的/etc/profile(没有的话自己创建一个)文件中添加如下所示内容：
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#!/bin/sh
LD_LIBRARY_PATH=/lib:/usr/lib:$LD_LIBRARY_PATH
export LD_LIBRARY_PATH
    
export TERM=vt100
export TERMINFO=/usr/share/terminfo

4.2 移植minicom

将 minicom-2.7.1.tar.gz 拷贝到 ubuntu 中的/home/zuozhongkai/linux/IMX6ULL/tool 目录下，然后在 tool 目录下新建一个名为“minicom”的子目录，用于存放 minicom 编译结果。一切准备好以后就可以编译 minicom 了，先解压 minicom，命令如下：
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tar -vxzf minicom-2.7.1.tar.gz
解压完成以后会生成一个叫做 minicom-2.7.1 的文件夹，这个就是 minicom 的源码，进入到此目录中，然后配置 minicom，配置命令如下：
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./configure CC=arm-linux-gnueabihf-gcc -- prefix=/home/zwl/linux/IMX6ULL/tool/minicom --host=arm-linux-gnueabihf CPPFLAGS=-I/home/zwl/linux/IMX6ULL/tool/ncurses/include LDFLAGS=-L/home/zuozhongkai/linux/IMX6ULL/tool/ncurses/lib -enable-cfg-dir=/etc/minicom 	
CC 表示要使用的 gcc 交叉编译器。

–prefix 指定编译出来的文件存放目录，肯定要存放到我们前面创建的 minicom 目录中。

–host 指定交叉编译器前缀。

CPPFLAGS 指定 ncurses 的头文件路径。

LDFLAGS 指定 ncurses 的库路径。
配置成功以后执行如下命令编译并安装：
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make
make install
将 minicom 目录中 bin 子目录下的所有文件拷贝到开发板根目录中的/usr/bin 目录下，命令如下：
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sudo cp bin/* /home/zwl/linux/nfs/rootfs/usr/bin/
完成以后在开发板中输入“minicom -v”来查看 minicom 工作是否正常。
从图可以看出，此时 minicom 版本号为 2.7.1， minicom 版本号查看正常。输入如下命令打开 minicom 配置界面：
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minicom -s
打开失败，新建/etc/passwd 文件，然后在 passwd 文件里面输入如下所示内容：
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root:x:0:0:root:/root:/bin/sh
开发板重启以后再执行“minicom -s”命令，此时 minicom 配置界面就可以打开了。

如果能出现图上所示界面，那么就说明 mincom 工作正常了。

5 驱动测试

5.1minicom配置

打开 minicom 配置界面，然后选中“Serial port setup” 。

选中“Serial port setup”以后点击回车，进入设置菜单

图中有 7 个设置项目，分别对应 A、 B……G，比如第一个是选中串口， UART3 的串口文件为/dev/ttymxc2，因此串口设备要设置/dev/ttymxc2。设置方法就是按下键盘上的‘A’，然后输入“/dev/ttymxc2”即可，都设置完成以后按下回车键确认并退出。

设置完以后按下回车键确认，确认完以后就可以设置其他的配置项。比如 E 设置波特率、数据位和停止位的、 F 设置硬件流控的，设置方法都一样。

按下ESC 键退出，退出后显示下图所示串口调试界面，可以看出当前的串口文件为/dev/ttymxc2，按下 CTRLA，然后再按下 Z 就可以打开 minicom 帮助信息界面。

可以看出， minicom 有很多快捷键，本实验我们打开 minicom 的回显功能，回显功能配置项为“local Echo on/off..E”，因此按下 E 即可打开/关闭回显功能。